高二物理寒假课程第10讲、物理光学(解析版)

第10讲、物理光学

10.1光的电磁理论

1．光是一种电磁波

⑴ 光具有波的特性，在同一介质中光速v 、波长λ和频率ν之间满足：v λν=。（请注意分清v 和ν这两个易混的字母）

⑵ 在可见光中，各色光频率的大小关系是：ννννννν红绿橙黄青蓝紫＜＜＜＜＜＜。 2．介质对光速的影响

⑴ 光在真空中的速度：83.010m/s c =⨯。

⑵ 光在不同的介质中的速度

由c

n v =可知，介质的折射率越大，光速越小。

⑶ 不同色光在同一介质中的速度

由三棱镜光的色散实验可知，同一介质对紫光的折射率最大，红光的最小。

再由c

n v =得到，在同一介质中有：v v v v v v v 红绿橙黄青蓝紫＞＞＞＞＞＞。

例题说明：例1直接考察光的电磁理论，难度不大；例2与全反射结合，稍有综合；例3综合的知识比较多，由于本讲知识性的内容较多，老师可以根据课程进度，选讲例3 【例1】 对于红、黄、绿、蓝四种单色光，下列说法正确的是

A ．红光的频率最高

B ．相同介质中，黄光的速度最大

C ．相同介质中，绿光的折射率最大

D ．相同介质中，蓝光的波长最短

例题精讲

知识点睛

真空中各色光波长的大小关系是

怎样的呢？

【例2】 OMN △为玻璃等腰三棱镜的横截面。a 、b 两束可见单色光从空气

垂直射入棱镜底面MN ，在棱镜侧面OM 、ON 上光线的传播情况如图所示，由此可知

A ．a 可能是紫光，b 可能是红光

B ．棱镜内a 光的传播速度比b 光的小

C ．a 光的频率比b 光的高

D ．a 光的波长比b 光的长

【答案】 D

（本题老师可以根据课程进度选讲） 【例3】

在一次讨论中，老师问道：假如水中相同深度处有a 、b 、c 三种不同颜色的单色点光源，有人在水面上方同等条件下观测发现，b 在水下的像最深，c 照亮水面的面积比a 的大。关于这三种光在水中的性质，同学们能做出什么判断？有同学回答如下： ①c 光的频率最大 ②a 光的传播速度最小 ③b 光的折射率最大 ④a 光的波长比b 光的短

根据老师的假定，以上回答正确的是

A ．①②

B ．①③

C ．②④

D ．③④

【答案】 C

10.2 光

的衍射

在挡板上安装一个宽度可调的狭缝，缝后放一个光屏。用单色平行光照射狭缝，我们看到，当缝比较宽时，光沿着直线通过狭缝，在屏上产生一条与缝宽相当的亮条纹。但是，当缝调到很窄时，尽管亮条纹的亮度有所降低，但是宽度反而增大了。这表明，光没有沿直线

传播，而是绕过了缝的边缘，传播到了相当宽的地方，这就是光的衍射现象。 1．衍射现象 我们知道波能够绕过障碍物发生衍

射。既然光也是一种波，为什么在生活中我们观察不到光的衍射，而常常说“光沿直线传播”呢？

光偏离直线传播绕过障碍物进入阴影区域里的现象，叫做衍射。 2．产生明显衍射的条件

障碍物或孔（缝）的尺寸与波长相差不多或更小。 3．几种衍射图样

⑴ 单缝衍射：中央条纹最宽最亮，两侧对称分布不等间距的明暗相间条纹。

⑵ 圆孔衍射：中央亮圆亮度大，外围是明暗相间的圆环。

⑶ 正方形小孔衍射

例题说明：由于单独考察衍射的题目很少，一般都是与干涉对比或结合，因此这部分只放两道简单题，在后面干涉部分的题目中，还会涉及到衍射的知识。

例题精讲

单缝衍射的条纹比较宽，而且距离中央亮条纹较远的条纹，亮度也很低。实验表明，如果增加狭缝的个数，衍射条纹的宽度将变窄，亮度将增加。光学仪器中用的衍射光栅就是据此制成。有关光栅衍射的内容，有兴趣的同学可以查阅相关资料进一步了解。

【例4】

在一个亮着的小电珠和光屏之间，放一个带圆孔的遮光板，在圆孔直径从1cm 逐渐变小到闭

合的整个过程中，在屏上我们将依次看到

a ．完全黑暗

b ．小孔成像

c ．衍射图样

d ．圆形亮斑 正确顺序是：

A ．abcd

B ．dbca

C ．bdca

D ．cdba

【例5】 声音能绕过一般建筑物而光却不能，这是因为

A ．声音的传播是波动，光的传播沿直线

B ．光的传播速度太大，有限距离内偏离直线不明显

C ．建筑物对声音吸收少，对光吸收多

D ．相对一般建筑物来说，光的波长极短，衍射现象不明显

10.3 光

的干涉

1．杨氏干涉实验 ⑴ 实验装置介绍

如图所示，挡板上有两个狭缝1S 、2S ，平行激光束垂直于挡板照射到两小孔上，我们在挡板后的屏上观察实验现象。

知识点睛

如果光真的是一种波，两束光在一定的条

件下应该发生干涉。1801年，英国物理学家托马斯·杨成功地观察到了光的干涉现象。

屏上的干涉现象

⑵实验原理

如上图，我们取

1

P点为研究对象。O点是线段

12

S S的中点，

P点是屏上的点，且

012

OP S S

⊥。

设两缝之间的距离为d，挡板与屏之间的距离为l，

1

P、

P之间的距离为x，

1

P、

1

S之间的距

离为

1

r，

1

P、

2

S之间的距离为

2

r。

①找路程差

在线段

12

P S上作

111

PM PS

=，于是

221

S M r r

=-。

②数学处理

由于d l

=，所以能够认为三角形

12

S S M是直角三角形。

由三角函数的关系得，

21

sin

r r dθ

-=。

另一方面，tan sin

x l l

θθ

=≈。

消去sinθ，有

21

x

r r d

l

-=。

③结果分析

当

x

d k

l

λ

=，即

l

x k

d

λ

=时，

1

P点为亮条纹。其中012

k=L L

，，，

当(21)

2

x

d k

l

λ

=+，即

1

()

2

l

x k

d

λ

=+时，

1

P点为暗条纹。其中012

k=L L

，，，

2．光的干涉现象

振动方向一致的两束光，若频率相同、相位差恒定，那么在它们相遇的区域会出现稳定的明暗相间的条纹，这种现象叫做光的干涉。

答案：因为两盏灯发出的光不是相干光。

3．条纹特点

⑴两个相邻的亮条纹或暗条纹中心之间的距离是：Δ

l

x

d

λ

=。

为什么同时打开两盏灯时，观察不

到干涉现象呢？

由上式不难看出，要增大两相邻亮条

纹之间的距离，我们可采取以下措施：

①增大双缝挡板与屏之间的距离l

②增大入射激光的波长λ

③减小双缝之间的距离d